松散堆积体围岩隧道进洞稳定可靠性分析

松散土体围岩隧道进洞稳定可靠度分析欧阳大任1（1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075）摘要：本文根据具体工程实例，为保证隧道顺利进洞，针对受降雨入渗影响的松散土体边坡，探讨用可靠度分析和安全系数相结合的方法,进行滑动稳定性分析,既考虑了不确性因素,又是对定值法的一种补充。本文研究方法及研究成果可为同类工程提供参考。关键词：松散土体；可靠度；安全系数；稳定性分析1引言隧道进洞的关键问题之一就是边坡的稳定性问题。而在边坡稳定性分析中，目前占主导地位的还是传统的安全系数法，将各种设计条件、设计指标和参数都定值化，却忽略了岩土参数的不确定性。大量的试验和工程实践证明，边坡的稳定性由内在因素和外在因素所控制。内在因素是边坡本身所固有的，外界因素主要包括降雨、地震、开挖等。其中许多控制因素在不同程度上具有随机性，安全系数法忽略了这些不确定性，从而给边坡稳定性评价带来了一定的误差。而基于随机性分析的边坡稳定性分析方法是通过建立概率极限状态方程，考虑各种参数的不确定性，从而更具有实际意义。吉怀公路梁家院子隧道出口的松散堆积体属于土石混杂堆积，洞口端地形呈左高右低、左前右后的特征，与线路呈25°的夹角，左侧山体陡峻，右侧山体覆盖层薄，是典型的偏压、斜交隧道。岩层稳定性、自承能力都比较差，进洞段围岩等级为Ⅴ级。其中左线隧道基本垂直松散堆积山体进洞，右线与山体斜交松散堆积山体进洞。针对这一特殊性，引入可靠度分析方法结合安全系数法对吉怀公路梁家院子隧道洞口松散堆积体边坡的稳定性进行分析，用概率的方法定量的考虑了实际存在的不确定性因素，因而更能客观定量的反映边坡的实际安全性。2松散土体边坡可靠度分析基本理论松散土体边坡可靠度分析方法是基于极限平衡原理建立状态方程，在定值安全系数方法基础上发展起来的。从定量化的意义上讲，亦可把可靠度定义为:在规定的条件作用下和规定的使用期限内，安全系数或安全储备大于或等于某一规定值(或)的概率，亦即边坡保持稳定的概率。在边坡工程中，可靠度有三种尺度：一是稳定概率，即可靠度或称可靠概率()。它是边坡能完成预定功能的概率。二是破坏概率，即不可靠度。它是边坡不能完成预定功能的概率，与稳定概率是互补的，即。因此，在实际工程中，一般是计算破坏概率，并提出破坏概率的限值。三是可靠指标，或称安全指标()。在边坡分析中，其值是边坡状态函数的平均值除以状态函数标准差的商，或是在n维状态空间中，n维极限状态面至坐标原点的最短距离。在标准正态空间，可靠指标与破坏概率有数值上的对应关系。边坡稳定的可靠度计算方法大多借鉴结构工程的可靠度分析方法，它的极限状态方程为极限状态方程表征一个n维曲面，可称为极限状态曲面。它把系统划分出三种状态，即:为安全状态;为极限状态;为破坏状态。和两个区域，即安全域和破坏域。最简单的例子，是由相互独立基本变量和组成的二维状态，即所谓极限状态的模型即把安全储备函数表达为抗滑力()和滑动力()的函数，显然，极限状态面为一条45°的直线，如图1所示。图1模型的几何意义3松散土体边坡滑动稳定的可靠度分析模型3.1松散土体边坡滑动安全系数的计算为简化计算，认为滑动面为折线形，在考虑降雨的渗透压力的作用时，作用在可能滑动面上的下滑力为：（1）式中，为第i块下滑体的重力；为土体的容重；为渗水的水力梯度；为第i块滑体动水压力的浸水面积；为滑动面与水平面的夹角。在可能滑动面上由土的抗剪强度产生的抵抗滑体下滑的抗滑力为：（2）式中，为第i个滑动面上的内摩擦角，为第i条滑动面上的单位粘聚力，为第i条滑动面的长度，则此滑体的安全系数K为：（3）在计算松散堆土体边坡滑动稳定安全系数时，当式(3)中K=1时，该边坡处于临界稳定状态，由此，边坡滑动稳定时的极限状态方程式为：（4）3.2松散土体边坡滑动稳定可靠度分析目前常用的可靠指标计算的方法有蒙特卡罗法(MonteCarlo法)、一次二阶矩法(FOSM法)、点估计法。MonteCarlo法需要数量可观的随机采样，工作量很大；FOSM法则需要通过多次迭代求解，计算过程繁琐，理论抽象，二者在实际应用中较有一定难度。Rosenbleuth在1975年提出用点估计法计算工程中的可靠指标，其基本原理是:当随机变量的概率分布未知时，可用其均值和方差估计出功能函数的一阶矩(均值)和二阶矩(方差)，从而得到边坡的可靠指标。经过许多学者研究讨论发现这一方法简单实用，其计算出的可靠指标与MonteCarlo法和FOSM法计算结果较为吻合。故本文选用Rosenbleuth点估计法计算可靠指标。3.2.1功能函数当有几个随机变量影响结构的可靠度时，功能函数可表示为：（5）极限状态方程表示为：（6）式中，～为容重、内摩擦角、黏聚力、孔隙水压力等基本随机变量，K是稳定安全系数。相应的可靠指标定义为：（7）稳定性，有效地指导设计工作。参考文献[1]张天宝，土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计[M],成都:成都科技大学出版社，1987.[2]徐军,马家蓉.岩石边坡平面滑动稳定安全系数和可靠度[J].四川建筑,2003,23(5):6162.[3]祝玉学.边坡可靠度分析[M].北京:冶金工业出版社,